CN108028595B - 磁流体发电机、涡轮发动机以及发电的磁流体方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁流体发电机领域，更具体说是涉及这种发电机(10)，其包括一个由第一壁(12)和第二壁(13)分隔的工作流体的流动通路(11)，工作流体的电离装置(14)、一对臂(15)，每个所述臂都在所述电离装置(14)的下游将第一壁(12)和第二壁(13)连接在一起，从而在所述臂(15)与所述第一壁(12)、第二壁(13)之间限定一个在流动通路(11)中的通道(16)，所述通道(16)被布置为在工作流体的一部分被电离后使该部分工作流体穿过，一个用于产生垂直于通道(16)中工作流体流动方向的磁场(B)的磁体，所述工作流体由所述臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)分隔，以及至少一对电极(17)。每对电极(17)中的每个电极均被布置在由所述成对的臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)分隔的通道(16)的一侧上。每对电极(17)中的电极均沿垂直于所述磁场(B)以及垂直于通过由该对臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)限定的通道(16)的工作流体的流动方向彼此间隔。

Description

磁流体发电机、涡轮发动机以及发电的磁流体方法

技术领域

本发明涉及磁流体领域，更特别地涉及其在涡轮的工作流体中回收至少一部分剩余能量的使用。

背景技术

术语“涡轮”用于表示一种旨在使用工作流体的能量以致使旋转轴旋转的旋转装置。由其速度及其焓表征的工作流体的能量因此部分地转化成可由转轴提取的机械能。然而，在涡轮的下游，工作流体通常保留大量的剩余能量。在以下的描述中，相对于工作流体的正常流动方向限定了术语“上游”和“下游”。

法国专利申请FR 2 085 190已经提出了使用除涡轮之外的磁流体发电机用于回收涡轮的工作流体所包含的能量。在这种磁流体发电机中，当在与被电离流体的流量垂直的方向中受到磁场时，电离流体的流量在彼此间隔的两个电极之间在与被电离流体的流量以及与磁场垂直的另一方向中产生电流。

然而，实际上，在涡轮中结合这种磁流体发电机不是没有缺点，特别地涉及以及用于在涡轮的工作流体的流动通路中产生磁场的电极布置和设备。

发明内容

通过提出一种可更简单地结合在一种包括由相同工作流体驱动的涡轮的组件中的磁流体发电机，本发明寻求弥补这些缺陷。

在至少一个实施例中，通过以下事实实现该目的，包括由第一壁和第二壁限定的工作流体流动通路以及用于电离工作流体的电离装置的磁流体发电机另外还包括至少一对臂，每个都在所述电离装置下游将第一和第二壁连接在一起，从而在流体通道内限定一个在所述臂和所述壁之间的通道，所述通道被布置成在工作流体的一部分被电离后由其横穿，一个用于产生磁场的磁体，所述磁场在与通过由所述成对臂和所述壁限定的通道的工作流体流垂直的方向中被定向，以及至少一对电极，每对中的每个电极都被布置在由所述成对臂和所述壁限定的通道的相应侧面上，每对中的电极在与所述磁场以及与通过由所述成对臂和由所述壁限定的通道的工作流体的流动方向垂直的方向中彼此间隔。磁体可以是电磁体，任选地具有一个可有利地具有导电性的螺线管，通过将碳纳米管集成在导体芯体中，或者通过超导材料来改进所述导电性，但其也可以是永久磁体。在任一种情况下，它都可具有层压的芯体。

通过这些配备，更容易沿两个基本互相垂直并且相对于工作流体流垂直的轴线布置电极和磁体的磁极。此外，可以从涡轮的仅一部分工作流体发电，如果需要的话，例如如果涡轮用于输送相对大量的机械力，同时磁流体发电机用于提供明显更少量的电力，用于辅助目的。

具体地，每对电极的每个电极可被布置在所述成对臂的相应臂上。在这种情况下，为了在电极彼此间隔的方向中产生一种与工作流体流垂直的磁场，磁体可包括一个安装在所述臂之一内侧的芯体。然而，也可以设想一种替代装置，其中每对的每个电极被布置在限定该流动通路的相应一个壁上，所述磁体然后被布置成产生一种在所述臂彼此间隔的方向中定向的磁场。

为了在由诸多壁以及由诸多臂限定的通道中加速流体流，从而提高磁流体发电机的效率，第一和第二壁可在燃烧气体的流动方向中在位于所述成对臂上游的流体通道的至少一个分段上朝彼此会聚。在这种情况下，并且为了避免大量的反推力，特别地当磁流体发电机被安装在涡轮轴发动机的出口喷嘴中时，特别地旋翼飞行器的涡轮轴发动机，第一和第二壁可在工作流体的流动方向中在位于所述成对臂下游的流体通道的至少一个第二分段上彼此发散，从而再次降低了流量速度。

为了确保工作流体并且特别地气态工作流体的有效电离，所述电离装置可以是等离子体炬形式。这种等离子体炬可特别地包括一对电极，所述电极被连接到一种用于在该对电极之间产生直流电(DC)或交流电(AC)电势的装置，所述电势大于或等于工作流体的电离电势。然而，还可以设想其他类型的电离装置，诸如例如用于通过喷射微波、通过螺旋放电或通过感应连接而电离的装置。此外，为了便于电离该工作流体，发电机可包括一种用于从所述电离装置上游喷射低电离电势元素的装置，任选地连同用于从由诸多壁以及诸多臂限定的通道下游回收低电离电势元素的过滤器一起。

在由成对臂和壁所限定的通道中在相对的磁极与电极之间的相对较短距离可有利于磁流体发电机的输出和效率。为了增加用于磁流体产生的工作流体量，同时限制尺寸，发电机可包括多对臂，每个都在所述电离装置下游将第一和第二壁连接在一起，并且对于每对臂，它可包括一个相应磁体和一对电极。通过在多个通道之间使磁流体发电分开，可以在保持每个通道很小流量截面的同时增加电力。每个通道中的成对电极可以串联或并联地电性连接。

为了使磁流体发电机更容易地适用于涡轮，所述流动通路可以是环形，所述第一和第二壁绕所述流动通路的中心轴同轴，并且所述臂为径向。

本发明还涉及一种涡轮发动机，包括这种磁流体发电机以及至少一个被布置成由与所述磁流体发电机相同的工作流体驱动的涡轮。例如，所述磁流体发电机可用于回收涡轮不能使用的工作流体的剩余能量的至少一部分。涡轮发动机可特别地包括一个在涡轮以及在磁流体发电机上游的燃烧室，从而产生高焓燃烧气体，所述高焓燃烧气体形成由此下游的涡轮和磁流体发电机的工作流体并且具有促进电离的高温。此外，为了提高燃烧气体的焓并驱动其流量，该涡轮发动机可包括在燃烧室上游的至少一个压缩机以及经由第一旋转轴连接到所述压缩机以对其驱动的第一涡轮。它还可包括第二涡轮。在这种情况下，可特别地位于第一涡轮下游但还在磁流体发电机上游的第二涡轮可连接到输出轴，从而形成涡轮轴发动机，诸如例如旋翼飞行器的涡轮轴发动机。

为了能够更好地使用涡轮不能使用的工作流体的剩余能量，所述磁流体发电机可被布置在所述涡轮下游的出口喷嘴中。

本发明还提供了一种发电的磁流体方法，其中，工作流体至少部分地由一种在由第一和第二壁限定的通道中的电离装置所电离，并且工作流体的电离部分穿过一个在流动通路中由所述壁以及由一对臂限定的通道，并受到由磁体产生的磁场，每个所述臂都在所述电离装置下游将第一和第二壁连接在一起，所述场在通道中在与工作流体流垂直的方向中延伸从而在至少一对电极的电极之间产生电流，每对的每个电极被布置在一个由所述成对臂和所述壁限定的通道的相对侧面上，每对的电极在与所述磁场以及与通道中燃烧气体流垂直的方向中彼此间隔。该发电的磁流体方法可特别地用于回收先前已用于驱动至少一个涡轮的工作流体的剩余能量。特别地，在由涡轮发动机驱动的车载车辆上，该磁流体方法可用于产生用于驱动除涡轮发动机以外的车辆辅助设备的电。

附图说明

可以很好地理解本发明，并且在阅读作为非限制性示例给出的实施例的以下详细描述时，其优点更清楚地显而易见。说明书参考附图，其中：

—图1是带有一种具有磁流体发电机的一个实施例的涡轮轴发动机的旋翼飞行器的图解透视图；

—图2是图1发动机的示意性纵剖视图；

—图3A是图2发动机的磁流体发电机的一部分的图解透视图；

—图3B示出了图3A的细节；

—图4是在第二实施例中磁流体发电机的图解透视图；

—图5是在第三实施例中的磁流体发电机的图解透视图；

—图6是在第四实施例中的涡轮轴发动机的图解纵剖视图；以及

—图7是在第五实施例中涡轮轴发动机的图解视图。

具体实施方式

图1显示一种旋转翼飞行器，更准确说是一种直升机100，其具有一个用于经由变速器104驱动其主旋翼102以及其尾桨103的涡轮轴发动机101。发动机101包括一个用于向直升机100上载有的多种耗电设备供电的磁流体发电机10的实例。

如图2中更详细示出的那样，发动机101包括一个气体发电机，该气体发电机沿气流方向中具有：压缩机201；具有连接到燃料供应系统(未示出)的点火器和喷射器的燃烧室202；以及经由第一旋转轴204连接到压缩机201的第一涡轮203。在该第一涡轮203的下游，发动机101具有一个连接到第二旋转轴206的第二涡轮205，该第二旋转轴206在直升机100中适于连接到变速器104，以驱动主旋翼102和尾桨103。最后，在第二涡轮205的下游，发动机包括燃烧气体的出口喷嘴207。

在该第一实施例中，磁流体发电机10在第一涡轮203和第二涡轮205的下游并入出口喷嘴207中。在该磁流体发电机10内，用于燃烧气体，在该实施例中包含第一涡轮203和第二涡轮205的以及磁流体发电机10的工作流体的环形的流动通路11由内部的第一壁12和绕第一壁12关于发动机101的中心轴线X同轴的外部的第二壁13所限定。磁流体发电机10还具有一个用于电离燃烧气体的电离装置14。在例中，电离装置14可以是具有两个电极的等离子体炬，所述两个电极被构造成在它们之间形成电场，所述电场足够强大，从而能够电离在高温下流动的燃烧气体并且加速通过流动通路11，以形成导电的冷等离子体。该强电场可以是直流场或交流场，用于避免冷等离子体中热失衡的交流场。为了便于电离燃烧气体，发动机101还可包括一在电离装置的上游，用于喷射例如钾这样的具有低电离电势的元素的装置。该用于喷射具有低电离电势的元素的装置可特别地被并入燃料供应回路中，以便具有低电离电势的元素与燃料一起被喷射到燃烧室202内。

在通过磁流体发电机10的燃烧气体的环形的流动通路11的第一分段11a上，第一壁12、第二壁13沿燃烧气体流动方向会聚，以使流动加速，而在第二分段11b上，第一壁12和第二壁13沿着燃烧气体的流动方向重新发散，以在离开出口喷嘴207之前降低其流速。在会聚的第一分段11a和发散的第二分段11b之间，成对的径向臂15将第一壁12、第二壁13连接在一起，从而在流动通路11中形成通道16，每个通道16均由第一壁12和第二壁13以及由一对臂15所限定。为了确保具有已在上游被喷射的低电离电势的元素随后不被排出到外部，发电机10还可包括一个用于在通道16下游回收低电离电势元素的过滤器(未示出)。

在图3A和3B中更详细示出的实施例中，对于每个通道16，磁流体发电机10包括至少一个安装在限定通道16的每个臂15的内侧面上，从而接触穿过通道16的被电离燃烧气体的电极17，以及一个同样具有径向相对磁极18a和18b的电磁体18，所述径向相对磁极在通道16的相对侧面上分别由第一壁12和第二壁13所覆盖，并且通过一个被容纳在一个臂15中的芯体18c连接在一起，所述芯体由螺线管18d层压和围绕，从而在通道16中产生磁场B，该磁场B沿径向方向定向，因此大致垂直于在通道16中的被电离的燃烧气体的流动方向。为了产生一种特别强大的磁场，螺线管18d可特别地是超导的。

这样，在该实施例中，通过每个通道16，并受到由电磁体18产生的磁场B的被电离的燃烧气体的流动可产生一电动势，因此在位于通道16任一侧上，并沿着与所述流动方向垂直以及与磁场B的方向垂直的方向彼此面对的电极17之间产生一电流。

在如图4所示的替代实施例中，第一壁12和第二壁13、臂15以及通道16的布置等同。然而，对应于每个通道16的电极17并不安装在臂15上，而是安装在第一壁12和第二壁13的内侧表面上，以暴露于通道16，彼此径向相对，而电磁体18被布置为产生一个磁场B，该磁场B所沿的方向大致垂直于所述径向方向，以及大致垂直于所述被电离的燃烧气体的流动方向。磁流体发电机10的其他元件类似于第一实施例中的那些元件，并且在附图中被赋予相同的附图标记。

尽管流动通路11在这两个实施例中都是环形的，但为了便于在发动机101中并入磁流体发电机10，可以设想其他的形状，例如将磁流体发电机10结合在一扁平的喷嘴中。因此，在如图5所示的另一替代实施例中，流动通道11的截面是矩形的，而在该第三实施例中的磁流体发电机在所有其他方面都类似于第一实施例中那样，在该图中等同的元件被赋予相同的附图标记。

尽管在第一实施例中磁流体发电机10位于第一涡轮203和第二涡轮205的下游，但也可以设想将它们设置在第一涡轮203与第二涡轮205之间，如图6中所示的第四实施例中那样，或直接设置在燃烧室202的下游，第一涡轮203和第二涡轮205的上游，如图7中所示的第五实施例中那样。在这两个结构中，磁流体发电机10的元件类似于第一实施例中的那些元件，并且在附图中它们被赋予相同的附图标记。

在这些实施例的每个实施例中的磁流体发电机10的操作同样是相似的。在每个结构中，来自燃烧室202的燃烧气体由电离装置14至少部分地电离，在渗透到由每对臂15限定的通道16内之前被加速通过流动通路11中的会聚的第一分段11a，在通道16中它将受到由电磁体18产生的沿着大致垂直于在每个通道16中经电离的燃烧气体的流动方向的磁场B的作用，从而在电极17之间产生电流，该电流可具体用于对直升机100上载有的多种装置进行供电。在离开通道16时，燃烧的流在发散的第二分段11b中减速。

尽管参照具体实施例描述了本发明，应该清楚的是，可对这些示例进行多种修改和更改，而不超出由权利要求所限定的本发明的通常范围。例如，尽管在所示的每个实施例中，每个通道16仅具有一对电极17，也可以设想在每个通道中放置多对电极，这些对电极沿着工作流体的流动方向可相互跟随。而且，磁流体发电机可用于除所示涡轮轴发动机之外类型的涡轮发动机。另外，可以在附加实施例中结合所提及的多种实施例的单独特征。因此，可在说明性而非限制性的意义上考虑说明书和附图。

Claims (15)

1.一种磁流体发电机(10)，包括至少：

由第一壁(12)和第二壁(13)限定的工作流体的流动通路(11)；

用于电离所述工作流体的电离装置(14)；

一对臂(15)，每个所述臂都在所述电离装置(14)的下游将第一壁(12)和第二壁(13)连接在一起，从而在所述流动通路(11)内限定一个在所述臂(15)与所述第一壁(12)、第二壁(13)之间的通道(16)，所述通道(16)被布置成在所述工作流体的一部分被电离后由所述工作流体的该部分横穿；

用于产生磁场(B)的磁体，所述磁场沿着与通过由该对臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)限定的通道(16)的工作流体的流动方向垂直的方向定向；和

至少一对电极(17)，在每对电极中每个电极(17)均被布置在由该对臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)限定的通道(16)的各自的侧面上，每对电极(17)中的所述电极(17)均沿垂直于所述磁场(B)以及垂直于通过由该对臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)限定的通道(16)的工作流体的流动方向彼此间隔。

2.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，其中，每对电极(17)中的每个电极(17)被布置在该对臂(15)的各自的臂(15)上。

3.根据权利要求2所述的磁流体发电机(10)，其中，所述磁体包括一个芯体(18c)，该芯体(18c)被容纳在所述臂(15)中的一个臂(15)内。

4.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，其中，在位于该对臂(15)上游的流动通路(11)的至少一个第一分段(11a)上，所述第一壁(12)和第二壁(13)沿所述工作流体的流动方向相互会聚。

5.根据权利要求4所述的磁流体发电机(10)，其中，在位于该对臂下游的流动通路的至少一个第二分段上，所述第一壁(12)和第二壁(13)沿所述工作流体的流动方向相互分离。

6.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，其中，所述电离装置(14)为等离子体炬的形式。

7.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，包括一用于在所述电离装置(14)的上游喷射低电离电位的元素的装置。

8.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，包括多个成对的臂(15)，每个臂都在所述电离装置(14)的下游将所述第一壁(12)和第二壁(13)连接在一起，对于每对臂(15)，包括一个相应磁体以及至少一对电极(17)。

9.根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，其中，所述流动通路(11)是环形的，所述第一壁(12)和第二壁(13)关于所述流动通路(11)的中心轴线(X)同轴，所述臂(15)是沿着径向的臂。

10.一种涡轮发动机，包括至少一个根据权利要求1所述的磁流体发电机(10)，以及至少一个被布置成由与所述磁流体发电机(10)相同的工作流体驱动的涡轮。

11.根据权利要求10所述的涡轮发动机，包括在所述涡轮以及在所述磁流体发电机(10)的上游的燃烧室(202)。

12.根据权利要求11所述的涡轮发动机，包括至少一个在所述燃烧室(202)上游的压缩机(201)，以及经由一第一旋转轴(204)连接到所述压缩机(201)以对其驱动的第一涡轮(203)。

13.根据权利要求12所述的涡轮发动机，包括一第二涡轮(205)。

14.根据权利要求10所述的涡轮发动机，其中，所述磁流体发电机(10)被布置在所述涡轮的下游的出口喷嘴(207)中。

15.一种发电的磁流体方法，其中：

在由第一壁(12)和第二壁(13)限定的流动通路(11)中，工作流体至少部分地由电离装置(14)电离；

所述工作流体的电离部分穿过一个在所述流动通路(11)中由所述第一壁(12)、第二壁(13)以及由一对臂(15)限定的通道(16)，每个所述臂(15)都在所述电离装置(14)的下游将第一壁(12)和第二壁(13)连接在一起，并受到由一磁体产生的磁场(B)的作用，所述磁场在通道(16)中沿着与所述工作流体的流动方向垂直的方向延伸，从而在至少一对电极(17)的电极(17)之间产生电流，每对所述电极(17)中的每个电极(17)均被布置在一个由该对臂(15)和所述第一壁(12)、第二壁(13)限定的通道(16)的各自的侧面上，每对所述电极(17)中的电极(17)沿着与所述磁场(B)垂直的方向以及与所述通道(16)中燃烧气体的流动方向垂直的方向彼此间隔开。

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